Publication:
Fiber optic sensors and self-reference techniques for temperature measurements in different industrial sectors

Loading...
Thumbnail Image
Identifiers
Publication date
2015-07
Defense date
2015-07-23
Tutors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Impact
Google Scholar
Export
Research Projects
Organizational Units
Journal Issue
Abstract
El objetivo de este trabajo se centra especialmente en el desarrollo de sensores de fibra óptica y técnicas de autoreferencia para la medida de la temperatura en diferentes entornos industriales. El primer objetivo de este trabajo consiste en el diseño y desarrollo de un sensor de fibra óptica de bajo coste para la medida de la temperatura en transformadores de potencia y aplicaciones biomédicas. En estas aplicaciones, el uso de sensores de temperatura tradicionales resulta inadecuado debido a la presencia de fuertes interferencias electromagnéticas que pueden perturbar la lectura de la temperatura. Uno de los requisitos fundamentales para diseñar un sensor de temperatura que pueda usarse en aplicaciones biomédicas es el uso de materiales biocompatibles en su fabricación. En este sentido, una configuración simple que permite cumplir con los requisitos mencionados anteriormente es la modulación por intensidad en fibras poliméricas. Este tipo de sensores basan la lectura de la temperatura en medir las variaciones de potencia óptica en función de los cambios de temperatura que se aplican sobre el sensor. En este contexto, el uso de la tecnología asociada con la fibra óptica de plástico ofrece ventajas competitivas frente a otros materiales, como son: el uso de dispositivos opto-electrónicos de bajo coste, la posibilidad de utilizar conectores de baja precisión, la posibilidad de utilizar multiplexores y demultiplexores de muy bajo coste, entre muchas otras ventajas. A pesar de estas ventajas, los sensores de intensidad necesitan de esquemas de autoreferencia que eviten fluctuaciones de potencia que interfieran en la lectura de la temperatura. Estas fluctuaciones pueden provenir de fluctuaciones de potencia a lo largo del tramo de fibra óptica entre la unidad de control y el sensor, fluctuaciones de la fuente de luz por cambios en la corriente de alimentación, pérdidas de potencia por envejecimiento de la instalación, entre otras causas. El segundo objetivo de este trabajo consiste en promover el estudio y el desarrollo de técnicas de multiplexado y autoreferencia que implementen sensores fabricados en fibra óptica de plástico. Estas topologías deberán de utilizar dispositivos eficientes desde el punto de vista del consumo de potencia para mejorar con ello el balance de potencias del sistema y por tanto, poder utilizar este tipo de esquemas en redes de corto y medio alcance. Para alcanzar este objetivo, en este trabajo se desarrollan técnicas de autoreferencia y multiplexado de bajo coste basadas en multiplexación por longitud de onda vasta (CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing). Esta técnica se caracteriza por su amplio desarrollo en el campo de telecomunicaciones como estándar para aplicaciones de corto o medio alcance en redes metropolitanas. Los multiplexores y demultiplexores diseñados para esta topología tienen una rejilla de longitudes de onda con una separación entre canales de 20nm. Este espaciado entre canales dificulta la multiplexación de un elevado número de dispositivos o sensores como podría llevarse a cabo si se usaran dispositivos basados en multiplexación por longitud de onda densa (DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing). Pero presentan una clara ventaja competitiva, los esquemas CWDM requieren bajas tolerancias en la fabricación de fuentes de luz, un control menos exhaustivo de la temperatura de la fuente, filtros ópticos de bajo coste y esquemas de diseño menos complejos. Los menores requisitos técnicos de los dispositivos utilizados con esta tecnología hacen que sea una topología interesante para su uso en redes de sensores de bajo coste. El tercer objetivo consiste en desarrollar sensores sin contacto basados en pirometría de dos colores para el sensado de la temperatura en procesos de mecanizado industrial...
As a general aim, this work specifically focuses on the development of temperature sensors and self-reference techniques for temperature measurement in different industrial sectors. The first objective of this work is the design and development of a low-cost fiber optic sensor for measuring temperature in power transformers and biomedical applications where the presence of EMI prohibits the use of traditional sensors. Compatibility with the human being is a requirement when the temperature sensors are used in medical applications. Following simple fiber optic configurations, intensity sensors modulate the optical power loss as the temperature changes, thus providing the measurement as an optical intensity modulation signal. Polymer Optical Fiber (POF) technology, with very low-cost components, enables temperature sensing using a low precision connectors and lenses as well as simple multiplexing and demultiplexing devices, especially if compared with glass optical fibers. However, intensity sensors need a self-referencing method to minimize the influences of long-term aging of source and receptor characteristics, as well as undesirable random short-term fluctuations of optical power loss in the fiber link connecting the control unit, where the measurements are taken, to the remote sensing point, where the optical sensor is located. The second objective of this work is to promote, study and develop a multiplexing strategy to implement and scale POF sensor networks using low cost off-the-shelf devices, enhancing the power budget and keeping the self-reference of the measurements. This work focuses on low-cost Coarse WDM (CWDM) technology, where a grid of wavelengths with a 20nm channel spacing for target distance of up to tens of kilometres is specified. CWDM technology have lately been promoted in the field of telecommunication as standard for metro applications with shorter distances, lower network capacity and cost than Dense WDM (DWDM). This topology requires simpler, wider tolerance laser manufacturing, less laser accurate temperature control and reduced design complexity and cost of optical filters. These relaxed requirements make the CWDM technology an interesting approach for building low-cost self-referencing sensors networks. The development of this technology, adapted to the use of POF, can be carried out with the development of fiber Bragg gratings (FBG) in POF, providing an effective and compact strategy for exploiting fiber links for both propagating directions of the light with a single fiber lead. The third objective is to develop a non-contact two-colour fiber-optic pyrometer for temperature measures in the aerospace machining industry, enhancing the location measurement area, reducing the surface emissivity effect and keeping the self-reference of the measurement…
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Multiplexing Fiber Optic Sensors, Data communication networks, Bend loss, Temperature sensors, Wavelength Division Multiplexing (WDM), Passive Optical Network (PON)
Bibliographic citation
Collections